[发明专利]一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法

说明书

本发明涉及一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，该设计方法针对多馈源合成多波束天线馈源阵(喇叭阵列+极化器阵列+合成网络)，通过对合成网络的拓扑结构、无源器件、波导连接结构及各自的优化变量变化范围进行约束定义及优化设计，解决了多馈源合成多波束天线波束幅相激励系数设置与波束性能间的矛盾，在满足了合成网络的设计合理性的同时实现了高增益高C/I波束性能。

技术领域

本发明属于星载多波束天线技术领域，具体涉及一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法。

背景技术

多波束天线技术作为大容量通信卫星普遍采用的一种载荷技术，可以针对拟定服务区提供大量高增益点波束覆盖，通过采用频率极化复用技术实现同频同极化波束间的物理隔离，然而为了提高频率利用效率进而提高卫星系统整体的通信容量，需要在提高频率复用次数的基础上通过天线设计获得高增益高C/I的波束性能。

多馈源合成多波束天线由于采用了馈源簇的设计理念，一方面通过波束间的馈源共用提高波束间的交叠电平，另一方面通过多个馈源的幅度相位激励系数优化实现对波束性能特别是C/I性能的提升，实现了以一副反射器完成发射或接收多波束天线的设计，获得高增益高C/I覆盖性能的同时降低了天线对卫星平台的资源需求。但是针对该技术，目前没有有效的合成网络幅相优化设计方法，脱离网络拓扑结构和无源器件色散特性的设计，无法保证激励系数在整个工作频段内与设计值的一致性，进而最终影响整个天线的所有波束性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：该设计方法主要针对多馈源合成多波束天线波束幅相激励系数设置与波束性能间的矛盾，提出一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，提出一种针对合成多波束天线馈源阵网络幅相优化设计方法，通过对合成网络的拓扑结构、无源器件、波导连接结构及各自的优化变量变化范围进行约束定义及优化设计，满足合成网络的设计合理性的同时实现高增益高C/I波束性能。

本发明的技术方案包括：一种基于多馈源合成网络的幅相优化设计方法，所述方法应用于合成多波束天线，天线包括反射器和馈源阵列，其中馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络组成，波束形成网络由多个无源耦合器、移相器及波导连接结构共同构建实现拓扑网络及优化的幅度相位激励系数值，所述方法具体步骤包括：

(S1)根据设计指标要求确定多馈源合成多波束天线配置，包括主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H；

(S2)根据服务区的形状和设计指标要求，确定波束对应馈源簇位置、单波束合成馈源数量排布方式、波束间共用馈源数量及对应的馈源口径d；

(S3)根据步骤(S2)中确定的馈源喇叭的内径d，利用Champ软件对馈源喇叭口径效率为目标进行设计，并利用GRASP软件计算在(S1)步骤所确定的天线配置参数下的所有馈源子波束性能；

(S4)依据馈源阵波束规模、波束馈源对应关系及构成网络的无源器件类型，构建波束形成网络拓扑结构；

(S5)在根据步骤(S4)对波束形成网络设计完成后，以步骤(S3)计算后的所有馈源子波束性能为输入条件，进行馈源阵合成网络的幅相激励系数的优化设计。

在步骤(S1)中，主反射器的口径D、主反射器焦距F和馈源阵偏置H参数在选择方面保证馈源阵重量、体积及天线布局满足卫星平台包络限制；

所述主反射器的口径D在1λ～1.8λ范围内。

在步骤(S2)中：

a)依据天线配置参数与波束覆盖位置，计算天线焦平面上各波束中心所对应的坐标值；

b)采用7馈源数量作为单波束合成馈源数量，7馈源采用正六边形排布，且馈源外壁包络两两相切；

c)波束与波束间的馈源共用数量控制在2个；